简易计算器的设计和实现.doc
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1、郑州科技学院 单片机原理及应用课程设计题 目 基于单片机简易设计与实现 学生姓名 专业班级 学 号 院 (系) 指引教师 完毕时间 年 月 日 目 录0.引言11.设计方案21.1 方案论证21.2 方案比较与选取22. 系统设计32.1系统构成及总体框图32.2硬件原理42.2.1.单片机最小系统42.2.2键盘电路102.2.3显示电路122.3.软件流程142.3.1主程序控制流程142.3.2键盘扫描子程序152.3.3LCD1602显示控制流程172.4仿真与实物制作203.结论22参照文献22附录一:总体电路原理图23附录二:元器件23附录三:源程序24基于单片机简易设计与实现0.
2、引言随着社会发展,科学进步,人们生活水平在逐渐提高,特别是微电子技术发展,犹如雨后春笋般变化。电子产品更新速度快就局限性惊奇了。计算器在人们寻常中是比较常用电子产品之一。如何使计算器技术更加成熟,充分运用已有软件和硬件条件,设计出更出众计算器,使其更好为各个行业服务,成了如今电子领域重要研究课题1。 今天,人们寻常生活中已经离不开计算器了,社会各个角落均有它身影,例如商店,办公室,学校。因而设计一款简朴实用计算器会有很大实际意义。 本设计对字符液晶显示模块工作原理,如初始化、清屏、显示、调用及外特性有较清晰结识,并会使用LCD(液晶显示模块)实现计算成果显示;掌握液晶显示模块驱动和编程,设计L
3、CD和单片机接口电路,以及运用单片机对液晶模块驱动和操作;在充分分析内部逻辑概念,进行软件和调试,学会使用,并可以以其为平台设计出具备四则运算能力简易计算器硬件电路和软件程序。同步在进一步掌握单片机理论知识,理解嵌入式单片机系统硬软件设计,加强对实际应用系统设计能力。通过本设计学习,使我掌握单片机程序设计和微机接口应用基本办法,并能综合运用本科阶段所学软、硬件知识分析实际问题,提高解决毕业设计实际问题能力,为单片机应用和开发打下良好基本。1. 设计方案本设计可以采用两种方案,一种是以FPGA为核心解决芯片,配备相应外设;此外一种是以STC89C51解决器,配备相应外设。1.1 方案论证 (1)
4、方案一:采用FPGA控制FPGA是一种高密度可编程逻辑器件,自从Xilinx公司1985年推出第一片FPGA以来,FPGA集成密度和性能提高不久,其集成密度最高达500万门/片以上,系统性能可达200MHz。由于FPGA器件集成度高,以便易用,开发和上市周期短,在数字设计和电子生产中得到迅速普及和应用,并一度在高密度可编程逻辑器件领域中独占鳌头。但是而基于SRAM编程FPGA,其编程信息需存储在外部存储器上 ,需外部存储器芯片 ,且用法复杂 ,保密性差,而其对于一种简朴计算器而言,实用FPGA有点大材小用,成本太高。(2)方案二:采用STC89C51单片机是单片微型机简称,故又称为微控制器MC
5、U(Micro Control Unit)。普通由单块集成电路芯片构成,内部包具有计算机基本功能部件:中央解决器CPU,存储器和I/O接口电路等。因而,单片机只要和恰当软件及外部设备相结合,便可成为一种单片机控制系统。单片机广泛用于智能产品,智能仪表,测控技术,智能接口等,具备操作简朴,实用以便,价格便宜等长处,而其中STC89C51以MCS-51为内核,是单片机中最典型代表,应用于各种控制领域5。1.2 方案比较与选取 通过以上两种方案论证和比较,从设计实用性,以便性和成本出发,选取了以STC89C51单片机作为中央解决单元进行计算器设计,这样设计可以实现对四位加减乘除和除法四位小点数运算。
6、2. 系统设计为了更好实现系统得功能,硬件电路设计应当遵循如下原则:(1)优化硬件电路采用软件设计与硬件设计相结合办法;尽管采用软件来实现硬件系统功能时,也许响应时间会比单纯使用硬件时长,并且还要占用微解决器(MCU)时间;但是,用软件实现硬件功能可以简化硬件构造,提高电路可靠性。因此,在设计本系统得时候,在满足可靠性和实时性前提下,尽量通过软件来实现硬件功能8。(2)可靠实用性依照可靠性及实用性设计理论,系统所用芯片数量越少,系统平均无端障时间越长。并且,所用芯片数量越少,地址和数据总线在电路板上受干扰也许性也就越小。因而,系统设计思想是在满足功能状况下力求使用较少数量芯片。(3)灵活功能扩
7、展功能扩展与否灵活是衡量一种系统优劣重要指标。一次设计往往不能完全考虑到系统各个方面,系统需要不断完善以及进行功能升级。进行功能扩展时,应当在原有设计基本上,通过修改软件程序和少量硬件完毕。对于本系统而言,就是规定在系统硬件不变状况下,可以通过修改软件程序,完毕功能升级和扩展7。2.1系统构成及总体框图计算器重要由STC89C51单片机构成最小系统、1602LCD液晶显示屏及编码键盘构成。P1、P3口:做为输出口,控制LCD液晶显示屏显示数据成果;P2口:做为输入口,与键盘连接,实现数据输入LCD液晶显示屏显示输出,总体框图如下。LCD液晶显示屏模块 STC89C51最小系统控制模块4X4键盘
8、模块电源模块图2-1 系统构成及总体框图2.2硬件原理硬件设计是整个计算器设计基本,只有在硬件设计完毕后,才干给整个电路下载程序,从而完毕该作品完整设计。2.2.1.单片机最小系统最小系统设计即单片机最小系统,对51系列单片机来说,最小系统普通应当涉及:单片机、晶振电路、复位电路。下面给出一种51单片机最小系统电路图。图2-2 单片机最小系统(1)复位电路:由一种按键开关和一种10uf电容并联而成,一端接+5v电源,另一端接单片机引脚9(即RST)复位键,,如图2-2所示。一、复位电路用途:单片机复位电路就好比电脑重启某些,当电脑在使用中浮现死机,按下重启按钮电脑内部程序从头开始执行。单片机也
9、同样,当单片机系统在运营中,受到环境干扰浮现程序跑飞时候,按下复位按钮内部程序自动从头开始执行。二、复位电路工作原理在课本上有简介,51单片机要复位只需要在第9引脚接个高电平持续2US就可以实现,在单片机系统中,系统上电启动时候复位一次,当按键按下时候系统再次复位,如果释放后再按下,系统还会复位。因此可以通过按键断开和闭合在运营系统中控制其复位。(2)晶振电路:普通晶振振荡电路都是在一种反相放大器两端接入晶振,两个电容分别接到晶振两端 每个电容另一端再接到地,这两个电容串联容量值就应当等于负载电容 请注意普通IC引脚均有等效输入电容 ,普通晶振负载电容为15pF或12.5pF 如果再考虑元件引
10、脚等效输入电容 则两个22pF电容构成晶振振荡电路就是比较好选取,晶振是给单片机提供工作信号脉冲 这个脉冲就是单片机工作速度,例如,12M晶振单片机工作速度就是每秒12M 固然,单片机工作频率是有范畴,不能太大 普通24M就不上去了,否则不稳定。晶振与单片机脚XTAL0和脚XTAL1构成振荡电路中会产生偕波(也就是不但愿存在其她频率波) 这个波对电路影响不大 但会减少电路时钟振荡器稳定性 为了电路稳定性起见 ATMEL公司只是建议在晶振两引脚处接入两个10pf-50pf瓷片电容接地来削减偕波对电路稳定性影响 因此晶振所配电容在10pf-50pf之间都可以 。此晶振电路由两个30uf电容并联后,
11、两端分别接一种12MHz晶振,而晶振两端又分别接引脚18(XTAL2)、19(XTAL1)。XTAL1:反向振荡放大器输入及内部时钟工作电路输入。XTAL2:来自反向振荡器输出。XTAL1,XTAL2接石英晶体振荡器。如图2-2所示外接晶体引脚图。(3)STC89C51RC图2-3 单片机STC89C51A. 重要性能: 8051 CPU与MCS-51 兼容 8K字节可编程FLASH存储器(寿命:1000写/擦循环) 全静态工作:0Hz-33MHz 三级加密程序存储器 128*8位内部RAM 32条可编程I/O线 三个16位定期器/计数器 八个中断源 全双工UART串行通道 低功耗闲置和掉电模
12、式 掉电后中断可唤醒 看门狗定期器 双数据指针 掉电标记符 片内振荡器和时钟电路 STC89C51 单片机为40 引脚芯片见图2-4B.管脚阐明: VCC:供电电压。 vss:接地。口线:P0、P1、P2、P3 共四个八位口。P0 口:P0口是一种8位漏极开路双向I/O口。作为输出口,每位能驱动8个TTL逻辑电平,对P0端口写“1”时,引脚用作高阻抗输入。当访问外部程序和数据存储器时,P0口也被作为低8位地址/数据复用。在这种模式下,P0不具备内部上拉电阻。在flash编程时,P0口也用来接受指令字节;在程序校验时,输出指令字节。程序校验时,需要外部上拉电阻。P1口:P1 口是一种具备内部上拉
13、电阻8 位双向I/O 口,p1 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P1 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低引脚由于内部电阻因素,将输出电流(IIL)。 此外,P1.0和P1.1分别作定期器/计数器2外部计数输入(P1.0/T2)和定期器/计数器2触发输入(P1.1/T2EX),详细如下表所示。在flash编程和校验时,P1口接受低8位地址字节。 图2-4 STC89C51引脚图引脚第二功能: P1.0 T2(定期器/计数器T2外部计数输入),时钟输出 P1.1 T2EX(定期器/计数器T2捕获/重载触发信号和方向控制) P1.5
14、MOSI(在系统编程用) P1.6 MISO(在系统编程用) P1.7 SCK(在系统编程用) P2口:P2 口是一种具备内部上拉电阻8 位双向I/O 口,P2 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P2 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低引脚由于内部电阻因素,将输出电流(IIL)。 在访问外部程序存储器或用16位地址读取外部数据存储器时,P2 口送出高八位地址。在这种应用中,P2 口使用很强内部上拉发送1。在使用8位地址访问外部数据存储器时,P2口输出P2锁存器内容。在flash编程和校验时,P2口也接受高8位地址字节和某些控制信号
15、。 P3 口:P3 口是一种具备内部上拉电阻8 位双向I/O 口,p3 输出缓冲器能驱动4 个TTL 逻辑电平。对P3 端口写“1”时,内部上拉电阻把端口拉高,此时可以作为输入口使用。作为输入使用时,被外部拉低引脚由于内部电阻因素,将输出电流(IIL)。 P3口是STC89C51特殊功能(第二功能)使用,如表2-5所示。 表2-5 P3口管脚 备选功能:端口引脚第二功能P3.0RXD(串行输入口)P3.1TXD(串行输出口)P3.2/INT0(外部中断0)P3.3/INT1(外部中断1)P3.4T0(记时器0外部输入)P3.5T1(记时器1外部输入)P3.6/WR(外部数据存储器写选通)P3.
16、7/RD(外部数据存储器读选通)在flash编程和校验时,P3口也接受某些控制信号。此外,P3口还接受某些用于FLASH闪存编程和程序校验控制信号。 其她引脚阐明:RST:复位输入。晶振工作时,RST脚持续2 个机器周期高电平将使单片机复位。看门狗计时完毕后,RST 脚输出96 个晶振周期高电平。特殊寄存器AUXR(地址8EH)上DISRTO位可以使此功能无效。DISRTO默认状态下,复位高电平有效。 ALE/PROG当访问外部程序存储器或数据存储器时,ALE(地址锁存容许)输出脉冲用于锁存地址低8位字节。普通状况下,ALE仍以时钟振荡频率1/6输出固定脉冲信号,因而它可对外输出时钟或用于定期
17、目11。要注意是:每当访问外部数据存储器时将跳过一种ALE脉冲。对FLASH存储器编程期间,该引脚还用于输入编程脉冲(PROG)。 PSEN程序储存容许(PSEN)输出是外部程序存储器读选通信号,当STC89C51由外部程序存储器取指令(或数据)时,每个机器周期两次PSEN有效,即输出两个脉冲,在此期间,当访问外部数据存储器,将跳过两次PSEN信号。 EA/VPP外部访问容许,欲使CPU仅访问外部程序存储器(地址为0000H-FFFFH),EA端必要保持低电平(接地)。需注意是:如果加密位LB1被编程,复位时内部会锁存EA端状态。 如EA端为高电平(接Vcc端),CPU则执行内部程序存储器指令
18、。 31脚EA/Vpp接电源:STC89C51/52或其她51系列兼容单片机特别注意:对于31脚(EA/Vpp),当接高电平时,单片机在复位后从内部ROM0000H开始执行,当接低电平时,复位后直接从外部ROM0000H开始执行。2.2.2键盘电路键盘可分为两类:编码键盘和非编码键盘。编码键盘是较多按键(20个以上)和专用驱动芯片组合,当按下某个按键时,它可以解决按键抖动、连击等问题,直接输出按键编码,无需系统软件干预。通用计算机使用原则键盘就是编码键盘。在智能仪器中,使用并行接口芯片8279或串行接口芯片HD7279均可以构成编码键盘,同步还可以兼顾数码管显示驱动,其有关接口电路和接口软件均
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